2. Особенности наноструктурного состояния вещества

Материалы, с размерами частиц в микронном диапазоне размеров в большинстве случаев имеет те же самые свойства, что и обычные массивные материалы. Однако материалы в нм-диапазоне могут иметь принципиально новые свойства. Например, кристаллы в нанометровом диапазоне имеют более низкую температуру плавления (отличие может быть больше, чем на 1000°С), и меньший период решётки.

Это происходит тогда, когда число поверхностных атомов или ионов составляет значительную долю от общего числа атомов в частице, и поверхностная энергия играет значительную роль в их термической стабильности. Кристаллические структуры, стабильные при повышенных температурах, становятся стабильными в низкотемпературной области: наблюдается изменение характера проводимости, и ферромагнетики и ферроэлектрики могут терять свои свойства при переходе в наноразмерную область, полупроводники становятся изоляторами. Наблюдается изменение каталитической активности: объёмное золото не проявляет кататилических свойств, в то время как нанокристаллы этого металла демонстрируют уникальную каталитическую активность при низких температурах.

2. Классификация наноразмерных объектов

Во многих случаях наноматериалы представляют собой дисперсные системы – образование из двух или большего числа фаз сильно развитой поверхностью раздела между ними. Классификацию дисперсных сред по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды предложил В. Оствальд. В этом случае возможны 9 комбинаций дисперсной фазы и дисперсионной среды, находящихся в различных состояниях – в виде газа, жидкости и ТТ. Практически реализуется только 8 комбинаций, т.к. газы в обычных условиях растворимы друг в друге и образуют гомогенную систему (таблица 1). Эта классификация оказалась весьма удобной для рассмотрения всего многообразия возможных дисперсных систем и в настоящее время является наиболее общепризнанной.

Таблица 1: Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз.

Дисперсная Дисп- фаза ерсная среда	Газовая	Жидкая	Твёрдая
Газовая	-	Аэрозоли, туманы, капли	Аэрогели, аэрозоли, порошки, дымы, пыль
Жидкая	Пены, газовые эмульсии	Эмульсии, кремы	Золи, гели, эмульсии, пасты
Твёрдая	Твёрдые пены, фильтры, сорбенты, мембраны	Твёрдые эмульсии	Твёрдые золи, сплавы, композиты, покрытия, плёнки

Порошки – двухфазные системы, представляющие собой твёрдые частицы дисперсной фазы, распределённые в воздухе или другой газовой среде. Высокодисперсные порошки с частицами размером менее 1 мкм, взвешенные в газовой фазе и участвующие в броуновском движении, образуют аэрозоли, пыли и дымы. Аэрозоли – это дисперсные системы, в газовой дисперсионной среде которых находятся во взвешенном состоянии твердые или жидкие частицы дисперсионной фазы. Гели – высокодисперсные системы с жидкой дисперсионной средой, содержащей структурную сетку (каркас), образованную частицами дисперсной фазы. Типичные гели в виде студенистых осадков образуются из золей при их коагуляции или в процессах выделения новой фазы из пересыщенных растворов. В случае газообразной дисперсионной среды образуются аэрогели.

Частица – единица порошка, которую нельзя легко разделить в обычных сепарационных процессах. Термин «зерно» – не синоним термину «частица», поскольку частица может состоять из нескольких зёрен. Агломерат (агрегат)– несколько частиц, соединённых в более крупные образования. В коллоидной химии принята следующая классификация дисперсных систем в зависимости от размера частиц дисперсной фазы: молекулярно-дисперсные – менее 1 нм, высокодисперсные – 1–100 нм; среднедисперсные – 100 нм – 10 мкм; грубодисперсные – более 10 мкм. В этой классификации нередко среднедисперсные системы называют микрогетерогенными, а высокодисперсные – ультрамикрогетерогенными.

Коллоидные системы (коллоидно-дисперсные системы, коллоиды) – предельно высокодисперсные (микрогетерогенные) системы. Частицы дисперсной фазы в коллоидной системе – коллоидные частицы – обычно имеют размер от 1 нм до 100 нм. В газе или жидкости они свободно и независимо одна от другой участвуют в интенсивном броуновском движении, равномерно заполняя весь объём дисперсионной среды.

Наноматериалы– это намеренно сконструированные или природные материалы, в которых хотя бы один из трех размеров лежит в диапазоне от 1 до 100 нм. Различают: нульмерные, одномерные, двумерные и трехмерные наноматериалы.

К нульмернымнаноматериалам относят наноразмерные порошки «квантовые точки», а также структуры «ядро-оболочка» или интеркалированные структуры. Одномерные наноматериалы – нановолокна и нанотрубки; Двумерные наноматериалы – тонкие пленки; Трехмерные наноматериалы – объемные наноструктуры, которые получают конструированием блоков, состоящих из наноструктур. Под нанокристаллическими (наноструктурными, нанофазными, нанокомпозитными) материалами принято понимать такие материалы, у которых размер отдельных кристаллитов или фаз, составляющих их структурную основу, не превышает 100нм хотя бы в одном измерении. К наноразмерным материалам относятся среды или материалы, которые характеризуются настолько малым размером морфологических элементов, что он соизмерим с одним или несколькими физическими свойствами этого вещества (магнитными характеристиками, аномалиями фононного спектра и теплового расширения, изменением параметра решетки, особенностями спиноидального распада, изменением границ существования фаз и др.). Наноматериалы с размером 1-10 нм обычно называют наночастицами. Их отличают от ультрадисперсных частиц, составляющих ультрадисперсные системы, и кластеров.

Наночастица– это находящийся в среде из лёгких атомов объект, состоящий из 10¹ – 10³ атомов, имеющий диаметр 1 – 10 нм, с формой, близкой к сферической, в котором соотношение между количествами структурных единиц на поверхности и в объёме равно или больше единицы. Нижняя размерная граница существования наночастиц определяется переходом от кристаллической фазы к квазимолекулярной. Границы этого перехода весьма размыты. Нередко данные частицы имеют икосаэдрическое строение – симметрию пятого порядка. Столь малые образования принято называть кластерами.

Кластеры – частицы упорядоченного строения, имеющие, как правило, 38-40 атомов, а иногда и более атомов вещества. Наноматериалы, морфологические элементы которых лежат в диапазоне от 10 до 100 нм, называют ультрадисперсными.

Верхняя размерная граница наночастиц определяется, чаще всего, соотношением числа поверхностных и объемных атомов. Критерием отнесения объекта к наночастицам (а, например, не к ультрадисперсным материалам) обычно считается примерное равенство количества поверхностных и объёмных атомов. В зависимости от формы наночастицы этому критерию соответствует число атомов 10³–10⁵.

Изменение физических свойств во многих случаях обосновывает деление дисперсных сред на наносистемы и ультрадисперсные системы с размером дисперсной фазы менее 10 нм и 10–100 нм, соответственно. Однако следует иметь в виду, что в ряде случаев это деление носит условный характер.

В таблице приведены примеры различныхнаночастиц и наносистем

Наночастицы	Наносистемы
Фуллерены	Кристаллы, растворы
Нанотрубки	Агрегаты, растворы
Молекулы белков	Растворы, кристаллы
Полимерные молекулы	Золи, гели
Неорганические нанокристаллы	Аэрозоли, коллоидные растворы
Мицеллы	Коллоидные растворы
Наноблоки	Твёрдые тела
Плёнки Ленгмюра-Блоджетт	Тела с плёнкой на поверхности
Кластеры в газах	Аэрозоли
Наночастицы в слоях веществ	Наноструктурированные плёнки